인구피해를 고려한 추락위치 후보군 생성 방법을 이용한 저궤도 인공위성의 제어 재진입 폐기 전략

민찬오(Chan-Oh Min),임대희(Dae-Hee Lim),이대우(Dae-Woo Lee) 한국항공우주학회 2018 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2018 No.4

RCS jet을 고려한 달착륙선의 Descent phase 통합 시뮬레이션

민찬오(Chan-oh Min),정순우(Seun-woo Jeong),이대우(Dae-woo Lee),조겸래(Keum-rae Cho) 한국항공우주학회 2013 韓國航空宇宙學會誌 Vol.41 No.6

2020년 예정인 국내 달 탐사 프로그램을 위하여 달착륙선에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 RCS jet을 고려한 달 착륙선의 Powered descent phase에서의 유도제어시스템을 구성하고 통합 시뮬레이션을 수행하였다. 달착륙선은 RCS 제트추력기를 이용하여 자세를 제어하므로 일반적인 비례제어기가 아닌 뱅뱅제어기를 사용하게 된다. 본 논문에서는 16개의 추력기를 이용하여 자세제어를 수행하고, 이를 위하여 phase-plane 스위칭 함수를 이용한 on/off 제어기와 추력기 선택 알고리즘을 적용하였다. 또한 Fuzzy logic을 이용한 유도 알고리즘을 이용하여 최적기법을 통해 생성된 기준경로에 따라 정확하고 안전하게 착륙 할 수 있음을 확인 하였다. Researches for various lunar landing technologies are in progress for the lunar exploration program planned for early 2020s in Korea. This paper shows the integrated simulation for safe lunar landing guidance/control system in powered descent phase. Generally, the lunar lander uses on/off(bang-bang) controller to control the RCS jet thrusters instead of proportional controller. In this paper, the on/off controller using phase-plane switching function, and thruster selection algorithm to control sixteen thrusters are applied. Also additional guidance commands are calculated by a proposed fuzzy logic guidance algorithm. The simulation results show that lunar lander can follow a reference trajectory which is generated by optimization method, then land on the surface safely.

재진입 비행체의 진입 및 착륙단계 경로 생성 및 퍼지제어기 설계

민찬오(Chan-oh Min),조성진(Sung-jin Jo),이대우(Dae-woo Lee) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.2

재진입 비행체의 Approach & Landing단계는 Steep Glideslope 단계, Circular Flare 단계, Flare Maneuver 단계로 이루어지며, 본 논문에서는 실시간 경로 생성을 위하여 기하학적 조건을 이용한 기준궤적 생성 알고리즘을 사용하였다. 이를 통하여 재진입비행체의 착륙 안정성을 고려한 기준궤적을 빠른 시간 안에 생성할 수 있다. 그리고 본 논문에서는 비선형 시스템에 대하여 강건성을 가지는 Mamdani Fuzzy PD Controller를 통한 종방향 및 횡방향 제어기를 설계하였다. 또한 Downrange 와 Crossrange의 초기 오차를 포함하는 시뮬레이션을 수행하여, 제안된 Fuzzy 제어기의 우수한 성능을 확인하였다. The approach and landing phase of a re-entry vehicle is composed of Steep Glideslope phase, Circular Flare phase, Flare Maneuver phase. The trajectory planning algorithm with geometric parameters is studied in this paper for on-board trajectory planning. This algorithm generate reference trajectory rapidly considering safe landing of re-entry vehicle. In this paper, the Mamdani Fuzzy PD type controller for longitudinal and lateral control is designed which has robustness of nonlinear system. In addition, the simulation is performed including initial downrange and crossrange errors, and the results shows that the proposed fuzzy logic controller has good performance.

항공 응용 분야 : 지구 재진입체의 특성에 따른 재진입사례 및 생존특성 분석

정순우 ( Soon Woo Jeong ),민찬오 ( Chan Oh Min ),이대우 ( Dae Woo Lee ),조겸래 ( Kyeum Rae Cho ) 한국항행학회 2013 韓國航行學會論文誌 Vol.17 No.1

1957년 10월 4일 인류최초의 위성 스푸트니크1호가 발사된 이래로 지구저궤도에서 대기권으로 재진입하는 물체의 양은 지속적으로 증가해왔다. 대부분의 재진입체들은 공력가열에 의해 타버려 생존하기 어렵다. 그러나 단 하나의 물체라도 지표면으로 떨어질 경우 인명 및 재산피해를 유발할 수 있다. 우주활동의 부산물로 발생하는 폐기위성, 로켓부스터, 압력탱크, 폐기우주정거장 등 지구에 재진입하는 물체는 꾸준히 늘어왔다. 대부분의 재진입체는 고도 50km∼80km에서 소각되고 10%∼40% 가량이 살아남아 지상으로 추락한다. 따라서 본 논문은 다양한 사례를 종합하여 재진입체의 생존특성을 분석하였다. The amount of object which reenter the Earth`s atmosphere has been increasing after the Sputnik I launch in October 1957. Most of reentry objects were incinerated by aerodynamic heating so they hardly survive. But they may incur casualties and widespread property damages if they survive and fall to surface. The amount of reentry objects, such as Satellite, Rocket Booster, Pressure Tank, ISS shows continued growth as byproduct of space activities. Most of the re-entry objects are incinerated at between altitude of 50km∼80km and 10%∼40% of the objects are surviving and falling to the ground. Therefore, this paper try to piece together the reentry event and analysis the survival characteristics of re-entry object.

아리랑 위성 2호와 5호의 우주파편에 대한 충돌확률 및 임무환경 분석

성재동(Jae-Dong Seong),민찬오(Chan-Oh Min),이대우(Dae-Woo Lee),조겸래(Kyeum-Rae Cho),김해동(Hae-Dong Kim) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.11

지난 50여년의 우주개발로 인해 현재 지구궤도 상에는 수많은 우주파편이 인공위성이나 우주선을 위협하고 있다. 현재 아리랑 위성 2호와 5호의 임무궤도가 포함된 LEO에 전체 우주파편의 84%가 존재함에 따라 우주파편을 고려한 우주임무설계가 요구된다. 본 논문에서는 ESA의 MASTER2005와 NASA의 DAS2.0을 이용하여 현재 활동 중인 아리랑 위성 2호와 발사예정인 아리랑 위성 5호의 임무궤도에 존재하는 우주파편의 종류, 궤도특성, 우주파편이 차지하는 공간밀도를 비교분석하였고, 임무 중에 우주파편과 충돌하거나 손상을 입을 확률을 계산하였다. 분석 결과 아리랑 위성 2호의 우주파편 충돌확률이 아리랑 위성 5호에 비해 약 5배정도 높은 것으로 나타났다. The increasing number of orbital debris objects is a risk for satellites because of past 50 years space activities. The LEO (low earth orbit) where KOMPSAT-2 and KOMPSAT-5 are operated is including about 84% of the total space debris. Thus, the space missions need to consider the space debris. In this paper, we analysis the orbit characteristics and spatial density of space debris about KOMPSAT-2 that is in activity and KOMPSAT-5 that will be launched in 2010. Analyzed probability damage and collision with space debris are also performed. ESA MASTER2005 and of NASA DAS2.0 are used to analysis KOMPSAT mission environment. As a result, it is noted that KOMPSAT-2's collision probability was far more than KOMPSAT-5 because KOMPSAT-2's orbit has high density composed space debris.

Sub-Phase를 고려한 달착륙선의 Descent/Ascent phase 최적 궤적 생성

조성진(Sung-Jin Jo),민찬오(Chan-Oh Min),이대우(Dae-Woo Lee),조겸래(Kyeum-Rae Cho) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.12

달 착륙과 이륙은 착륙선의 자세 및 고도에 따라서 몇 가지 단계로 나누어져 있다. 따라서 최적의 착륙선 궤적을 생성하기 위해서는 각 단계에 맞는 구속 조건과 제어 값이 필요하다. 착륙과 이륙의 최적궤적생성은 연료소모 및 자세변화율을 최소화 하는 가격함 수를 이용하여 최적화를 수행하였다. 본 논문에서는 궤적을 생성하는 최적제어 문제의 풀이 방법을 직접적인 접근방식중의 하나인 Gauss pseudo-spectral을 사용하였고, 이 문제로 착륙선의 기준 궤적과 상태 및 제어 값을 생성하였다. The descent and ascent phases for a lunar lander are composed of several phases. Accordingly, the constraints and control values adequate for each phase are required in order to generate optimal lander's trajectory. The optimal trajectories for descent and ascent phases are generated by the cost function to minimize fuel consumption & attitude variation rates. In this paper, the optimal control problem to make trajectory uses Gauss pseudo-spectral method which is one of the direct approach method. This problem generates lander's reference trajectory, states and controls.

PID 제어기를 이용한 달착륙선의 powered descent phase 유도제에

조성진(Sung-Jin Jo),민찬오(Chan-Oh Min),이대우(Dae-Woo Lee),조겸래(Kyeum-Rae Cho) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.5

달착륙은 크게 궤도이탈 단계, 동력하강 단계로 구성되어지며, 동력하강단계는 Braking, Approach, Final landing phase의 세부 3단계로 나누어진다. 본 논문에서는 동력하강 세부 3단계의 최적경로를 통하여 달착륙선의 착륙 제어를 수행하기로 한다. 우선 Gauss pseudo-spectral 방법올 통하여 기준 궤적을 생성하였고, 고도와 각 방향의 속도오차를 이용하여 PID 제어기를 생성하였다. 마지막으로 Matlab의 Simulink를 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구성하고 이를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. The moon landing is composed of the de-orbit descent phase, powered descent phase, and the powered descent phase is divide into 3-sub phase of the braking, approach, final landing phase. In this paper, the lunar lander perform landing control using 3-sub phase of optimal trajectory. First, generate the reference trajectory using gauss pseudo-spectral method. Thereafter generate PID controller using altitude and velocity error in each direction. Finally the lunar lander landing system constitute using the Simulink of Matlab, and perform simulation.

저궤도 위성의 폐기경로 생성 및 폐기기동 중 충돌위험 분석

성재동(Jae-dong Seong),민찬오(Chan-oh Min),정순우(Soon-woo Jeong),이대우(Dae-woo Lee),조겸래(Kyeum-rae Cho),김해동(Hae-dong Kim) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.4

현재 지구 주변의 궤도에는 폐기된 위성을 비롯한 많은 우주파편이 존재하고 있으며, 임무를 수행중인 인공위성이나 유인 우주활동을 위협하고 있다. 2013년 7월까지 임무를 수행할 예정인 아리랑 2호 위성 또한 우주파편에 대한 고려가 필요하다. 본 논문에서는 앞으로의 원활한 우주활동을 위해 제정된 25년 규정 중 저궤도의 경우 임무종료 후 25년 이내에 지구대기로 하강하여 소각되어야 하는 요구조건을 소개하고, 이를 준수하기 위해 연료소모를 최소화하는 폐기경로 설계에 대한 내용을 기술하고 있다. 그리고 생성한 폐기경로에 접근하는 물체로 인한 위험성을 분석하게 위해서 몬테칼로 시뮬레이션을 이용한 방법을 제안하였다. 분석 결과 가장 위험성이 높은 경로의 충돌확률은 6.0741E-07으로 나타났으며 접근한 상대 물체의 크기를 알 수 없으므로 보다 정밀한 분석이 필요함을 알 수 있었다. Now there are a lot of expired satellites or space debris around the earth orbit and they threaten the operating satellites and manned space missions. KOMPSAT-2 that scheduled to operate the mission by July, 2013 also has to consider the space debris. This paper introduces the ‘25 years rules’ that must be re-entered within 25 years after the space mission for LEO satellites and describes the removal trajectory design that satisfies the ‘25 years rules’ and minimizes fuel consumption. And this paper suggests monte-carlo simulation for risk analysis that causes the approaching object to the removal trajectory. The result shows that the collision probability of worst case presents 6.0741E-07 and it need to more analysis about precise satellite safety during removal maneuver because there is no information about the object size that approaching to the satellites.

저궤도 위성의 대기권 재진입 시 생존성 및 피해확률 분석

정순우(Soon-woo Jeong),민찬오(Chan-oh Min),이미현(Mi-hyun Lee),이대우(Dae-woo Lee),조겸래(Kyeum-rae Cho),Peter M. Bainum 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.2

IADC의 ‘25년 규정’에 의해 미션종료 된 저궤도 인공위성은 25년 이내에 지구로 재진입, 소각 폐기되도록 권고하고 있다. 이때 인공위성의 부품일부 또는 다수가 살아남아 지상에 충돌할 경우 인명 및 재산피해를 낼 수 있다. 우리나라의 경우 저궤도 위성으로서 아리랑 인공위성과 과학기술위성을 운용 중에 있으며 임무종료 후에는 모두 대기권 재진입을 통한 폐기처리가 필수이다. 따라서 본 논문에서는 ESA의 DRAMA내부의 SARA(Re-entry Survival and Risk Analysis)모듈을 이용하여 지상피해가 예측되는 크기인 가상위성의 추락궤적 및 생존부품을 분석하고 그에 따른 지상충돌확률, 피해확률을 분석하였다. 분석결과 198.831kg이 생존할 것으로 예상되며 추락지점이 한반도일 경우 전체 피해면적은 15.2742m² , 피해확률은 5.9614E-03 (2D)일 것으로 예상된다. LEO(Low Earth Orbit) Satellite which is discarded should be reentered to atmosphere in 25 years by 25 years rule of IADC(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee) Guidelines. If the parts of satellite are survived from severe aerothermodynamic condition, it could damage to human and property. South Korea operates KOMPSAT-2 and STSAT series as LEO satellite. It is necessary to dispose of them by reentering atmosphere. Therefore this paper analyze the trajectory, survivability, casualty area and casualty probability of a virtual LEO satellite using ESA(European Space Agency)s DRAMA(Debris Risk Assesment and Mitigation Analysis) tool. As a result, it is noted that casuality area is 15.2742m² and casualty probability is 5.9614E-03 then will be survived 198.831kg.

재진입 비행체의 TAEM 구간 최적궤적 설계와 인공신경망을 이용한 제어

김종훈(Jong-hun Kim),이대우(Dae-woo Lee),조겸래(Kyeum-rae Cho),민찬오(Chan-oh Min),조성진(Sung-jin Cho) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.4

본 논문은 재진입 비행체의 TAEM 구간 유도와 제어에 관하여 기술 하였다. TAEM 구간은 공기의 밀도와 비행체의 속도의 범위가 큰 특징을 가지고 있으며, 이들 조건하에 TAEM 구간의 유도를 위한 궤적과 비행체의 상태값을 최적화하였다. 최적화된 상태값은 7가지의 상태이며, 상태값은 Down-range, Cross-range, 비행체의 고도, 속도, 경로각, 방위각, 그리고 비행 거리이다. 최적화 연산을 수행하기 위하여 DIDO 프로그램을 사용하였다. 재진입 비행체의 제어를 위하여 인공 신경망을 이용한 되먹임 선형화 제어법을 사용하였다. 비행체의 동역학 모델은 역전파 모델을 통하여 근사화 되고, 근사화된 동역학 모델과 지연된 제어 입력, 플랜트 출력으로부터 새로운 제어 입력을 생성하게 된다. 이를 이용하여 본 논문에서는 앞서 최적화된 7가지의 상태값을 추종하는 결과를 보였다. This paper describes a result of the guidance and control for re-entry vehicle during TAEM phase. TAEM phase (Terminal Aerial Energy Management phase) has many conditions, such as density, velocity, and so on. Under these conditions, we have optimized trajectory and other states for guidance in TAEM phase. The optimized states consist of 7 variables, down-range, cross range, altitude, velocity, flight path angle, vehicle’s azimuth and flight range. We obtained the optimized reference trajectory by DIDO tool, and used feedback linearization with neural network for control re-entry vehicle. By back propagation algorithm, vehicle dynamics is approximated to real one. New command can be decided using the approximated dynamics, delayed command input and plant output, NARMA-L2. The result by this control law shows a good performance of tracking onto the reference trajectory.